多线程编程: 条件变量

条件变量   
条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制,
主要包括两个动作:
  一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起;
  另一个线程使"条件成立"(给出条件成立信号).
为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。  
    
1. 创建和注销
条件变量和互斥锁一样,都有静态和动态两种创建方式,
静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量,
如下:     
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER

动态方式调用pthread_cond_init()函数，API定义如下:
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);


尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性,但在LinuxThreads中没有实现,
因此cond_attr值通常为NULL,且被忽略.

注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy(),
只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。
因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源,所以注销动作只包括检查是否有等待线程。
API定义如下:
  int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);   
    
2. 等待和激发


int   pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);  
int   pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t  *cond,   
                             pthread_mutex_t *mutex, 
                             const struct timespec *abstime);   


等待条件有两种方式:
  无条件等待 pthread_cond_wait();
  计时等待    pthread_cond_timedwait();
其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有满足,则返回ETIMEOUT,结束等待.
其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现,0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。  
    
无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合,
以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()(或pthread_cond_timedwait(),下同)的竞争条件(Race Condition).


mutex互斥锁必须是普通锁(PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)或者适应锁(PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP),
且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁(pthread_mutex_lock()),
而在更新条件等待队列以前,mutex保持锁定状态,并在线程挂起进入等待前解锁.
在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。   
    
激发条件有两种形式，
pthread_cond_signal();

  激活一个等待该条件的线程,存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个;

pthread_cond_broadcast();
  激活所有等待线程。  


现在来看一段典型的应用：看注释即可。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>


static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

struct node 
{
  int n_number;
  struct node *n_next;
} *head = NULL;

static void cleanup_handler(void *arg)
{
  printf("Cleanup handler of second thread.\n");
  free(arg);
  (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}

static void *thread_func(void *arg)
{
  struct node *p = NULL;


  pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
  while (1) 
  {
    pthread_mutex_lock(&mtx);                   //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
    while (head == NULL)   
    {               
      /* 
       * 这个while要特别说明一下,
       * 单个pthread_cond_wait功能很完善,为何这里要有一个while (head == NULL)呢？
       * 因为pthread_cond_wait里的线程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。
       * 这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
       */
        
      /*
       * pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx,
       * 然后阻塞在等待对列里休眠,
       * 直到再次被唤醒(大多数情况下是等待的条件成立而被唤醒,唤醒后,该线程会先锁定pthread_mutex_lock(&mtx);
       * 再读取资源;
       * 这个流程可以表述为:block-->unlock-->wait() return-->lock.
       */
      pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
    }


    p = head;
    head = head->n_next;
    printf("Got %d from front of queue\n", p->n_number);


    free(p);
    pthread_mutex_unlock(&mtx);               //临界区数据操作完毕，释放互斥锁
  }

  pthread_cleanup_pop(0);
  return 0;
}

int main(void)
{
  pthread_t tid;
  int i;
  struct node *p;
  
  /*
   * 子线程会一直等待资源,类似生产者和消费者,
   * 但是这里的消费者可以是多个消费者,而不仅仅支持普通的单个消费者;
   * 这个模型虽然简单，但是很强大
   */
  pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);   
  
  for (i = 0; i < 10; i++) 
  {
    p = malloc(sizeof(struct node));
    p->n_number = i;


    pthread_mutex_lock(&mtx);             //需要操作head这个临界资源，先加锁，
    
    p->n_next = head;
    head = p;
    
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mtx);           //解锁
        
    sleep(1);
  }

  printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");

  /*
   * 关于pthread_cancel, 有一点额外的说明,
   * 它是从外部终止子线程,子线程会在最近的取消点,退出线程;
   * 而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
   * 关于取消点的信息，有兴趣可以google,这里不多说了
   */
  pthread_cancel(tid);
  pthread_join(tid, NULL);

  printf("All done -- exiting/n");
  return 0;
}